EP0621450A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erwärmung von Brauchwasser - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erwärmung von Brauchwasser Download PDF

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EP0621450A2
EP0621450A2 EP94810205A EP94810205A EP0621450A2 EP 0621450 A2 EP0621450 A2 EP 0621450A2 EP 94810205 A EP94810205 A EP 94810205A EP 94810205 A EP94810205 A EP 94810205A EP 0621450 A2 EP0621450 A2 EP 0621450A2
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heating
water
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
    • F24D11/002—Central heating systems using heat accumulated in storage masses water heating system
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the invention relates to a method for heating domestic water by heating and storing heating water and heating the domestic water by heat exchange with the heating water.
  • An apparatus for performing the method is also within the scope of the invention.
  • Boilers Plants with a boiler or a storage tank with a built-in or separate boiler are known for heating domestic water. Boilers, however, have the disadvantage that a large amount of drinking water stands still over a long period of time and thus pathogens (e.g. Legionella) can multiply and spread, provided that the standing drinking water is not periodically overheated. In addition, boiler systems for large capacities, such as those required for large systems such as homes, hospitals, superstructures and sports facilities, are relatively expensive to purchase.
  • the inventor has set himself the task of creating a method of the type mentioned at the beginning and a device suitable for carrying out the method, which work without a large amount of standing drinking water and are particularly suitable for alternative energy and large-scale systems.
  • the object of the invention is achieved in that the heating water and the process water are conducted in countercurrent for heat exchange.
  • the process water to be heated is brought to the exactly correct consumption temperature in a continuous process, ie the peak readiness is not kept on the process water side, but on the other side of the counterflow heat exchanger.
  • the device according to the invention has at least one heat generator and a storage downstream for heating and storing heating water and a heat exchanger downstream of the storage for heating the process water by means of the heating water, the heat exchanger being a countercurrent heat exchanger, in particular a plate heat exchanger.
  • the accumulator and the countercurrent heat exchanger are arranged within a common housing which is insulated from the surroundings.
  • the flow of the heating water through the heat exchanger is expediently generated via a variable-speed pump which is arranged between the storage tank and the countercurrent heat exchanger.
  • the pump is preferably an asynchronous canned pump, the speed of which is regulated by means of phase control, the speed preferably being predefined to a control unit based on a microprocessor.
  • the speed of the pump is advantageously regulated as a function of the water speed measured in the hot water supply.
  • a flow meter in particular an impeller meter, is provided in the process water inlet.
  • the speed of the pump can be regulated according to a temperature setpoint specification for the hot water.
  • temperature sensors are arranged at least in the memory. Thanks to the temperature sensors, the system optimizes itself over the days and can thus react to the performance of the heat exchanger.
  • a circulation pump can be switched on the service water side into a process water circuit with the countercurrent heat exchanger.
  • the circulation pump is controlled by the same control system as the pump in the primary circuit.
  • a system for heating domestic or drinking water has a heat generator 10 for heating heating water.
  • the heat generator 10 is connected via pipes 18 to a storage tank 12.
  • heating water heated by the heat generator 10 is fed to the storage boiler 12 as a function of the flow temperature and taking into account the stratification of the water in the boiler at the desired height and is taken out again at the appropriate height in accordance with the return temperature required for the system selected as the heat generator 10 and returned to the heat generator 10.
  • Oil and gas-heated heaters, solar systems, heat pumps and other heat generation systems can be connected individually or in combination to the storage boiler 12 as the heat generator 10.
  • a plate heat exchanger 14 is connected in a primary circuit to the storage boiler 12 via a flow line 20 arranged in the upper boiler area and a return line 22 leading back to the lower boiler area.
  • domestic water is passed from a cold water supply line 24 through the plate heat exchanger 14 and fed to a hot water tap 31 via a hot water extraction line 26.
  • a process circuit 16 is provided in which a secondary circuit is provided, in which, when the hot water tap 31 is closed, process water from the hot water extraction line 26 is fed back to the plate heat exchanger 14 via a circulation line 28 while maintaining hot water circulation in the hot water part of the hot water system.
  • Cold process water is taken directly from the cold water supply line 24 in a conventional manner and supplied to a cold water tap 32 via a cold water removal line 30.
  • the system is controlled by a computer-controlled measuring and control system 42, which is connected via electrical connections 44 to temperature sensors 40 arranged in the storage tank 12, in the return line 22 and in the circulation line 28, with an asynchronous canned pump 36 in the return line 22, with a circulation pump in the Circulation line 28 and with impeller flow meters 34a, b in the cold water supply line 24 is connected.
  • a computer-controlled measuring and control system 42 which is connected via electrical connections 44 to temperature sensors 40 arranged in the storage tank 12, in the return line 22 and in the circulation line 28, with an asynchronous canned pump 36 in the return line 22, with a circulation pump in the Circulation line 28 and with impeller flow meters 34a, b in the cold water supply line 24 is connected.
  • the impeller counter 34a When the hot water tap 31 is opened, the impeller counter 34a begins to turn and activates the asynchronous canned pump 36 in the primary circuit within a delay time of milliseconds.
  • the speed of the pump is controlled by means of phase angle control as a function of the water flow rate measured by means of the impeller counter 34a with magnetic scanning, whereby additional regulation can take place, for example, by specifying the setpoint temperature in the hot water extraction line 26 via the temperature sensors 40.
  • the arithmetic unit for the flow measurement is integrated in the control unit 42.
  • the thermal insulation of the storage tank 12 takes place via a housing 46 enclosing the latter, which is lined on the inside with insulation material 48.
  • this housing 46 is also the entire primary circuit with the feed line 20, the return line 22, the asynchronous canned pump 36, the plate heat exchanger 14 and part of the hot water circuit with the circulation pump 38 included.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Erwärmung von Brauchwasser durch Aufheizen und Speichern von Heizungswasser sowie Erwärmen des Brauchwassers durch Wärmeaustausch mit dem Heizungswasser werden das Heizungswasser und das Brauchwasser zum Wärmeaustausch im Gegenstrom geführt. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung weist mindestens einen Wärmeerzeuger (10) und einen diesem nachgeschalteten Speicher (12) zum Aufheizen und Speichern von Heizungswasser sowie einen dem Speicher (12) nachgeschalteten Wärmetauscher zur Erwärmung des Brauchwassers mittels des Heizungswassers auf. Hierbei erfolgt die Erwärmung des Brauchwassers während des Durchlaufs durch einen Gegenstrom-Wärmetauscher (14). Das zu erwärmende Brauchwasser wird im Durchlaufverfahren auf die genau richtige Verbrauchstemperatur gebracht. Im Gegensatz zu Brauchwasser-Erwärmungsanlagen herkömmlicher Bauart wird die Spitzenbereitschaft nicht auf der Seite des Brauchwassers, sondern im Speicher gehalten. Dies bringt unter anderem den Vorteil, dass bei grossem Spitzenbedarf dieses System kostengünstiger ist als ein Brauchwassererwärmer herkömmlicher Bauart und gleicher Leistung. Die Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Brauchwassererwärmung in Alternativenergieanlagen sowie in Grossanlagen wie Heimen, Spitälern, Ueberbauungen und Sportanlagen. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung von Brauchwasser durch Aufheizen und Speichern von Heizungswasser sowie Erwärmen des Brauchwassers durch Wärmeaustausch mit dem Heizungswasser. Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Zur Erwärmung von Brauchwasser sind Anlagen mit einem Boiler oder einem Speicher mit eingebautem oder separatem Boiler bekannt. Boiler sind jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass über längere Zeit eine grosse Menge von Trinkwasser stillsteht und sich damit Krankheitserreger (z.B. Legionellen) vermehren und verbreiten können, sofern das stehende Trinkwasser nicht periodisch überhitzt wird. Zudem sind Boileranlagen für grosse Kapazitäten, wie sie bei Grossanlagen wie Heimen, Spitälern, Ueberbauungen und Sportanlagen gefordert werden, verhältnismässig teuer in der Anschaffung.
  • Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen, die ohne grössere Menge an stehendem Trinkwasser arbeiten und sich insbesondere für Alternativenergie- und Grossanlagen eignen.
  • Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art, dass das Heizungswasser und das Brauchwasser zum Wärmeaustausch im Gegenstrom geführt werden.
  • Beim erfindungsgemässen Verfahren wird somit das zu erwärmende Brauchwasser im Durchlaufverfahren auf die genau richtige Verbrauchstemperatur gebracht, d.h. die Spitzenbereitschaft wird nicht auf der Seite des Brauchwassers gehalten, sondern auf der andern Seite des Gegenstromwärmetauschers.
  • Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist mindestens einen Wärmeerzeuger und einen diesem nachgeschalteten Speicher zum Aufheizen und Speichern von Heizungswasser sowie einen dem Speicher nachgeschalteten Wärmetauscher zur Erwärmung des Brauchwassers mittels des Heizungswassers auf, wobei der Wärmetauscher ein Gegenstrom-Wärmetauscher, insbesondere ein Plattenwärmetauscher, ist.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren sowie die zur Durchführung des Verfahrens geeignete erfindungsgemässe Vorrichtung weisen u.a. die folgenden Vorteile auf:
    • Bei grossem Spitzenbedarf ist das vorliegende System kostengünstiger als ein Brauchwassererwärmer herkömmlicher Bauart und gleicher Leistung.
    • Bei Anlagen, die bereits einen Wasserspeicher besitzen, kann ein zusätzlicher eingebauter oder separat stehender Boiler entfallen.
    • Da das vorliegende System im Durchlaufverfahren arbeitet und sich somit keine grosse Menge von stillstehendem Trinkwasser ansammelt, ist die Gefahr der Vermehrung und Verbreitung von Krankheitserregern (z.B. Legionellen) unterbunden, sodass ein periodisches Ueberhitzen aus hygienischen Gründen sich erübrigt.
    • Bei Kessel mit niedriger Betriebstemperatur, z.B. Gas-Kondensatkessel, sowie bei Wärmepumpen können niedrige Temperaturen gefahren werden, da der Wärmetauscher zwischen Erzeugung und Speicherung der Wärme entfällt.
    • Die Schichtung des Wassers im Speicher wird im Vergleich zu herkömmlichen Speichersystemen verstärkt gefördert, wodurch Niedertemperatur-Energiequellen wie beispielsweise Wärmerückgewinnung und Sonnenenergie besser genutzt werden.
    • Bei aus Kapazitäts- oder Ueberschussgründen höheren Speichertemperaturen wird das Brauchwasser trotzdem nicht über 60°C erwärmt, sodass ein Brauchwassermischer entfallen kann und zudem die Kalksteinbildung verhindert wird.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsart der erfindungsgemässen Vorrichtung sind der Speicher und der Gegenstrom-Wärmetauscher innerhalb eines gemeinsamen, gegenüber der Umgebung isolierten Gehäuses angeordnet.
  • Zweckmässigerweise wird der Durchfluss des Heizungswassers durch den Wärmetauscher über eine in der Drehzahl variable Pumpe erzeugt, die zwischen dem Speicher und dem Gegenstrom-Wärmetauscher angeordnet ist. Die Pumpe ist bevorzugt eine Asynchron-Spaltrohrpumpe, deren Drehzahl mittels Phasenanschnittsteuerung geregelt wird, wobei die Drehzahl bevorzugt einer Steuereinheit auf Mikroprozessorbasis vorgegeben wird. Vorteilhafterweise wird die Drehzahl der Pumpe in Abhängigkeit der im Brauchwasserzulauf gemessenen Wassergeschwindigkeit geregelt. Hierzu ist im Brauchwasserzulauf ein Durchflussmesser, insbesondere ein Flügelradzähler, vorgesehen. Durch die optimale Regelung des Heizungswasserdurchflusses im Primärkreislauf kann das erwärmte Brauchwasser konstant auf der gewüschten Temperatur gehalten werden.
  • Bei Uebertemperaturen des Heizungswassers im Speicher kann die Drehzahl der Pumpe entsprechend einer Temperatur-Sollwert-Vorgabe für das Brauchwasser geregelt werden. Hierzu sind zumindest im Speicher Temperatursensoren angeordnet. Durch die Temperatursensoren optimiert sich das System über die Tage selbst und kann so auf die Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers reagieren.
  • Zur Verbesserung der Warmwasserverfügbarkeit kann brauchwasserseitig eine Zirkulationspumpe in einen Brauchwasserkreislauf mit dem Gegenstrom-Wärmetauscher geschaltet werden. Die Zirkulationspumpe wird über die gleiche Steuerung wie die Pumpe im Primärkreislauf geregelt.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; dieser zeigt in ihrer einzigen Figur eine erfindungsgemässe Vorrichtung in schematischer Darstellung.
  • Ein System zur Erwärmung von Brauch- oder Trinkwasser weist einen Wärmeerzeuger 10 zum Aufheizen von Heizungswasser auf. Der Wärmeerzeuger 10 steht über Rohrleitungen 18 mit einem Speicherkessel 12 in Verbindung. In diesem ersten Kreislauf wird vom Wärmeerzeuger 10 aufgeheiztes Heizungswasser dem Speicherkessel 12 in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur und unter Berücksichtigung der Schichtung des Wassers im Kessel in der gewünschten Höhe zugeführt und entsprechend der für das als Wärmeerzeuger 10 gewählte System erforderlichen Rücklauftemperatur in der geeigneten Höhe wieder entnommen und zum Wärmeerzeuger 10 zurückgeführt. Als Wärmeerzeuger 10 können Öl- und gasbeheizte Heizungen, Solaranlagen, Wärmepumpen und andere Wärmeerzeugungssysteme einzeln oder in Kombination an den Speicherkessel 12 angeschlossen sein.
  • Dem Speicherkessel 12 ist in einem Primärkreislauf über eine im oberen Kesselbereich angeordnete Vorlaufleitung 20 sowie eine in den unteren Kesselbereich zurückführende Rücklaufleitung 22 ein Plattenwärmetauscher 14 nachgeschaltet. Im Gegenstrom zum Primärkreislauf wird bei Bedarf Brauchwasser aus einer Kaltwasser-Zufuhrleitung 24 durch den Plattenwärmetauscher 14 geleitet und über eine Warmwasser-Entnahmeleitung 26 einem Warmwasserhahn 31 zugeführt. In diesem Brauchwasserleitungssystem 16 ist zur Verbesserung der Warmwasserverfügbarkeit ein Sekundärkreislauf vorgesehen, in welchem bei geschlossenem Warmwasserhahn 31 Brauchwasser aus der Warmwasser-Entnahmeleitung 26 über eine Zirkulationsleitung 28 unter Aufrechterhaltung einer Warmwasserzirkulation im Warmwasserteil des Brauchwasserleitungssystems dem Plattenwärmetauscher 14 wieder zugeführt wird. Kaltes Brauchwasser wird in üblicher Weise direkt der Kaltwasser-Zufuhrleitung 24 entnommen und über eine Kaltwasser-Entnahmeleitung 30 einem Kaltwasserhahn 32 zugeführt.
  • Zur Steuerung der Anlage dient ein computergesteuertes Messund Regelsystem 42, welches über elektrische Verbindungen 44 mit im Speicherkessel 12, in der Rücklaufleitung 22 und in der Zirkulationsleitung 28 angeordneten Temperatursensoren 40, mit einer Asynchron-Spaltrohrpumpe 36 in der Rücklaufleitung 22, mit einer Zirkulationspumpe in der Zirkulationsleitung 28 sowie mit Flügelrad-Durchfluss-Zählern 34a,b in der Kaltwasser-Zufuhrleitung 24 verbunden ist.
  • Bei Oeffnung des Warmwasserhahns 31 beginnt sich der Flügelradzähler 34a zu drehen und aktiviert innerhalb einer Verzögerungszeit von Millisekunden die Asynchron-Spaltrohrpumpe 36 im Primärkreislauf. Hierbei wird die Drehzahl der Pumpe mittels Phasenanschnittsteuerung in Abhängigkeit von der über den Flügelradzähler 34a mit magnetischer Abtastung gemessenen Wasserdurchflussmenge geregelt, wobei eine zusätzliche Regelung beispielsweise durch Vorgabe der Sollwerttemperatur in der Warmwasser-Entnahmeleitung 26 über die Temperatursensoren 40 erfolgen kann. Das Rechenwerk für die Durchflussmessung ist in der Steuereinheit 42 ingegriert.
  • Die thermische Isolation des Speicherkessels 12 erfolgt über ein diesen umschliessendes Gehäuse 46, welches auf dessen Innenseite mit Isolationsmaterial 48 ausgekleidet ist. In diesem Gehäuse 46 ist auch der gesamte Primärkreislauf mit der Vorlaufleitung 20, der Rücklaufleitung 22, der Asynchron-Spaltrohrpumpe 36, dem Plattenwärmetauscher 14 sowie ein Teil des Warmwasserkreislaufs mit der Zirkulationspumpe 38 eingeschlossen.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Erwärmung von Brauchwasser durch Aufheizen und Speichern von Heizungswasser sowie Erwärmen des Brauchwassers durch Wärmeaustausch mit dem Heizungswasser,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Heizungswasser und das Brauchwasser zum Wärmeaustausch im Gegenstrom geführt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss des Heizungswassers durch den Wärmetauscher (14) über eine in der Drehzahl variable Pumpe (36) erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlregelung einer Asynchron-Spaltrohrpumpe mittels Phasenanschnittsteuerung erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl einer Steuereinheit auf Mikroprozessorbasis vorgegeben wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Pumpe (36) in Abhängigkeit der gemessenen Wassergeschwindigkeit geregelt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Uebertemperatur des Heizungswassers im Speicher (12) die Drehzahl der Pumpe (36) entsprechend einer Temperatur-Sollwert-Vorgabe für das Brauchwasser geregelt wird.
  7. Vorrichtung zur Erwärmung von Brauchwasser mit mindestens einem Wärmeerzeuger (10) und einem diesem nachgeschalteten Speicher (12) zum Aufheizen und Speichern von Heizungswasser sowie einem dem Speicher (12) nachgeschalteten Wärmetauscher zur Erwärmung des Brauchwassers mittels des Heizungswassers, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Gegenstrom-Wärmetauscher (14) ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstrom-Wärmetauscher (14) ein Plattenwärmetauscher ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (12) und der Gegenstrom-Wärmetauscher (14) innerhalb eines gemeinsamen, gegenüber der Umgebung isolierten Gehäuses (46) angeordnet sind.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Speicher (12) und dem Gegenstrom-Wärmetauscher (14) eine in der Drehzahl variable Pumpe, insbesondere eine Asynchron-Spaltrohrpumpe, angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Brauchwasserzulauf mindestens ein Durchflussmesser (34a,b), insbesondere ein Flügelradzähler, angeordnet ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Speicher (12) Temperatursensoren (40) angeordnet sind.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass brauchwasserseitig eine Zirkulationspumpe (38) in einen Brauchwasserkreislauf mit dem Gegenstrom-Wärmetauscher (14) geschaltet ist.
EP94810205A 1993-04-23 1994-04-12 Verfahren und Vorrichtung zur Erwärmung von Brauchwasser. Withdrawn EP0621450A3 (de)

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